太阳电池背表面钝化

不同衬底上的Al2O3膜的少子寿命随注入水平的变化
最大少子寿命6ms（Seff<2cm/s） 7nm膜的Seff<4cm/s
少子寿命达到3ms（Seff<5cm/s）
由于Al2O3具有负电荷，因此对于p-Si的少子寿命不随注入水平变化；而对于n-Si衬 底，由于反型层的出现，使得少子寿命随注入水平降低而降低。 Source: Hoex et al., APL 89, 041202 (2006) Source: Hoex et al., JAP 104, 044903 (2008)
对于正表面电荷Qf>0， 则Qsc<0，表面处于 “耗尽型”。表面势 随着电荷量有较大的 变化，这是由于P-Si 少子较少，要想得到 较多的表面平衡电荷 就的使表面能带更弯 曲。
在Ψs=ΨB时出现反 型，当Ψs=2ΨB时 出现强反型，一旦 出现强反型，表面 势随电荷的变化出 现饱和。
P-type Si Dielectric
P-Si的钝化
Source: 1 Dauwe et al., 29th IEEE PVSEC, 2002, p. 1246, 2 Kerr et al., SST 17, 166 (2002), 3 Kerr et al., SST 17, 35 (2002)
原子层沉积设备
ALD的工艺流程
实验室设备ALD工艺流程
轻掺杂n-Si表面镀膜
n-type emitter Passivation layer P-Si n-type emitter Passivation layer
SiO2有明显的钝化在高阻 时效果不明显 SiNx的钝化效果次之 Al2O3膜对于n型发射区也 具有较好的钝化作用，出 了在较大的方阻时。
Source: Hoex et al., Phys. Status Solidi – RRL (2011, in press)
重掺杂p-Si表面镀膜
Al2O3膜对于p型发射区具 有更好的钝化作用 使用a-Si:H和SiO2钝化在高 阻时效果不明显 SiNx对此体系没有明显的 钝化效果
Source: Hoex et al., APL 91, 112107 (2007)
太阳电池背表面钝化
王文静 中科院电工研究所
为什么背表面钝化越来越重要
各种钝化技术的结果
各种钝化技术与裸硅片及 100%金属化表面的饱和 电流
裸硅片的钝化与金属表面的钝化同样重要
太阳电池表面钝化 (Surface passivation)
• N型前表面钝化（P型衬底） • P型背表面钝化（P型衬底）
当能带弯曲超过禁带中线时产生反型
F
P型硅表面覆盖 SiNx： 按照计算绘出的曲 线，在这里不考虑 外电场的作用，也 不考虑界面电荷 Dit。此时： Qsc= - Qf。
对于负表面电 荷Qf<0，则 Qsc>0，此时表 面处于“积累 型”，随着Qsc 的增加，表面 势只是稍有增 加。
Ag电极 SiN膜 N+（磷） SiN膜
Al2O3背表面钝化面临的挑战
ALD生长速率慢，但是薄膜质量好；微波法PECVD生长速度块但是薄膜质 量较差。对于直接法PECVD，由于要混气，因此几乎无法制备Al2O3 。 TMA易燃易爆。 需要退火工艺。 对于长寿命硅片效果明显，因此更适用于单晶 对于批次法ALD设备，如何制备单面Al2O3膜是一个挑战 在后表面如何制备廉价的电极是一个问题。使用激光刻划窗口存在空洞， 提高了接触电阻，降低了填充因子。 使用ALD制备的Al2O3膜存在空洞，退火后更为严重。 背表面需要抛光，这对于多晶硅片是一个挑战。 Al2O3膜的衰退实验正在研究中。
在P型硅上的寄生漏电的计算
Dipl.-Phys. Stefan Dauwe 博士论文(2004)：Vom Fachbereich Physik der Universit: Low-Temperature Surface Passivation of Crystalline Silicon and its Application to the Rear Side of Solar Cells D.A. Clugston and P.A. Basore. Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anaheim, pp. 207–210, 1997.
Al背电极
Al背电极
结论
P型硅片的前表面钝化技术已经趋于成熟，但是随着发射区方阻的提 高，对于前表面钝化的要求于越来越高。 即便如此，由于封装材料对紫外光的吸收，使得前表面的改进已经趋 于极限。 对于后表面的钝化需要钝化膜中含有负的固定电荷以增强场钝化， Al2O3膜作为一种很好的候选材料。但是其在进入太阳电池的大规模产 业化技术前要解决一系列工艺问题。 或许SiO2/SiNx膜也是一种很好的选择
图中Si-O和Al-O键的增加可以理解为： 在TEM谱中界面氧化层厚度发生的变 化是由于结构发生变化，而不是在其 下面的硅表面附加上新的氧化层。而 Si-O键与表面电荷有关，因此Si-O键的 变化改变了界面处的电荷。在红外谱 中同时发现H-O键的减少，这正好与SiO和Al-O键的增加相匹配。而多余出的 H钝化了表面的Si悬挂键，所以发现SiH键增加。
SiO2膜
Al背电极
Al背电极
电极
SINx
N型发射极
由于背表面感 生电荷产生的 反型浮结形成 的寄生漏电流
n P
感生N型反型层
电极
SINx
P Vem n VFJ
N沟道
寄生漏电的实验
类型 SiO SiN Voc(mV) 649±1 643±1 (相对偏差 0.9%) 646±1 Jsc(mA/cm2) 34.5±0.2 33.1±0.1 (相对偏差 4%) 34.3±0.2 FF(%) 80.0±0.2 78.9±0.3 Eff(%) 17.9±0.2 16.8±0.1
Al2O3 or SiO2
SiNx or SiO2
• P型前表面钝化（N型衬底） • N型背表面钝化（N型衬底）
Ag电极 SiN膜 N+（磷） P+（硼） Al/Ag电极 Al2O3膜
P-Si
P+（Al BSF）
N-Si
N+（磷 BSF）
Al2O3膜
SiN膜
Al背电极
Ag电极
Al2O3膜结构(Al2O3 structure)
各种条件制备的Al2O3膜的电荷特性
Source: Dingemans et al., ESSL 14, H1 (2011)
Al2O3表面负电荷的来源
两种来源： 处于四面体构型的AlO4-单元——负电荷 处于八面体构型的Al3+单元中——正电荷 在薄膜体内两者以3:1的比例存在，以保持整个薄膜电中性。 在c-Si表面用ALD法生长的无氧化层Al2O3膜包含四面体和八面体两种 构型的Al。 在有SiOx中间层的样品上生长的Al2O3膜以四面体结构为主（负电 荷），这主要是因为在SiOx层中的Si原子是四面体结构。因此，SiOx 促进了形成与之接近的Al2O3膜层中形成过剩的四面体构型的AlO4-单 元，而这使得负电荷超过正电荷。
Al2O3
6.4eV
1.1eV
- - 固定电荷Qf - 2-3x1012(热ALD) - 5-6x1012(PE-ALD)
X X X X X X X
-
- X
AlOx
<5nm
Qit
界面电荷Dit 1x1011cm-2
Al2O3
<2nm
Qf
Al2O3薄膜的退火特性 改变长钝化特性
G. Dingemans Proceedings of the 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain (2010).
Ag电极
Rena Baniq R&R
Al2O3膜
P-Si
P+（Al BSF）
√
SiNx膜 SiN膜
N+（磷）
P-Si
P+（Al BSF）
X √
CT
Al背电极 Ag电极 SiN膜 N+（磷）
Al背电极 Ag电极
P-Si
P+（Al BSF）
√
SiO2膜 SiNx膜
N+（磷）
P-Si
P+（Al BSF）
SiO2膜
1. ALD技术简介
1.3 ALD类型
热ALD 真空热-ALD ALD 其他-ALD 基元-ALD PE-ALD MW-ALD ICP-ALD CCP-ALD Singulars Roth&Rau Beneq，Picosun 常压热-ALD SolarTech
按照反应活性基团能量来源，ALD可以分为热激发ALD (Thermal ALD) 和自由基辅助ALD。 按照自由基的来源又可以分为等离子体增强原子层沉积（PE-ALD）及其他形式的自由基产生方 式（如紫外激发产生自由基）。根据Plasma的产生方式，又可以分为电感耦合等离子体增强 ALD(ICP-ALD)、电容耦合等离子体增强ALD(CCP-ALD)及微波等离子体增强ALD（MWP-ALD ）。
Ag电极 SiN膜 N+（磷） SiN膜
Ag电极
P-Si
P+（Al BSF）
√
SiNx膜 SiN膜
N+（磷）
P-Si
P+（Al BSF）
? ?
Al2O3膜
Al背电极 Ag电极 SiN膜 N+（磷）
Al背电极 Ag电极
P-Si
P+（Al BSF）